螺旋式擠壓機(jī)是由螺旋軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生軸向力做功，推動(dòng)擠壓物從出口流出。在這種工作狀態(tài)下期，其出口壓力是不能控制的，壓制物無(wú)法滿足壓力達(dá)到一定規(guī)定值。就這種情況設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式常閉壓力控制閥，將其安裝在擠壓機(jī)的出口，當(dāng)出口壓力沒(méi)達(dá)到壓力控制閥調(diào)定的壓力時(shí)，壓力控制閥處于非工作狀態(tài)，閥門(mén)關(guān)閉；只有當(dāng)出口壓力達(dá)到壓力控制閥彈簧調(diào)定的壓力時(shí)，控制閥閥門(mén)打開(kāi)，處于工作狀態(tài)。

　　引言

　　擠壓機(jī)是將動(dòng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置變?yōu)閿D壓力的裝備，通常情況下是利用螺旋軸旋轉(zhuǎn)，螺旋軸由于本身結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中而產(chǎn)生軸向推力和徑向力，軸向力推動(dòng)壓制物顆粒形成一定形狀和結(jié)構(gòu)力，如工程機(jī)械的制磚機(jī)，食品、藥丸機(jī)械的谷物、玉米和肉制品成型擠壓機(jī)等，使所擠壓制的物質(zhì)形成成品或半成品。目前，為了提高生產(chǎn)效率，大多在螺旋擠壓機(jī)的出口處安裝模具，帶一定形狀的出口孔，壓制物顆粒被擠壓而成形，這種工作狀態(tài)的缺點(diǎn)是輸出壓力不能控制，無(wú)法保證壓制物的顆粒之間能保持一定致密度，具有一定結(jié)構(gòu)力。解決這一問(wèn)題的有效方法就是在擠壓機(jī)出口安裝一壓力控制閥，壓力可以根據(jù)產(chǎn)品的不同要求而調(diào)節(jié)，出口形狀做成產(chǎn)品所需的形狀，這樣壓力就得到了有效控制，擠壓產(chǎn)品就能得到一定的結(jié)構(gòu)力。

1、壓力控制閥的功能要求

　　在螺旋式擠壓機(jī)的出口處設(shè)計(jì)安裝一個(gè)常閉式壓力控制閥，讓擠壓物擠壓到一定形狀的形腔內(nèi)成形，保證達(dá)到一定的壓力后擠出，能得到具有一定形狀和一定質(zhì)地密度的連續(xù)毛坯，如圓柱截面、矩形截面等食品、藥品。如果不保壓而直接從出口擠出，坯料會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)力不夠而散落，或不連續(xù)而斷等現(xiàn)象，如果利用壓力控制閥，保證組成物顆粒之間一定的壓力和密度，能達(dá)到保證毛坯質(zhì)量的目的。

　　根據(jù)應(yīng)用要求，壓力控制閥必須能根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需要能調(diào)整輸出壓力，當(dāng)工作壓力沒(méi)達(dá)到調(diào)定的壓力時(shí)，壓力閥處于非工作狀態(tài)，此時(shí)閥門(mén)閉關(guān)；當(dāng)被工作壓力達(dá)到彈簧調(diào)定的壓力值時(shí)，壓力控制閥的閥門(mén)被打開(kāi)，擠壓物被擠出來(lái)，從而使被擠壓物能達(dá)到具有一定的結(jié)構(gòu)力的形坯，此時(shí)壓力閥處于工作狀態(tài)。壓力調(diào)整螺栓可以調(diào)整，因而壓力機(jī)出口壓力可以控制，提高了壓力機(jī)械的應(yīng)用范圍。

　　當(dāng)壓力控制閥閥門(mén)控制部分或其他部位出現(xiàn)異�，F(xiàn)象，閥門(mén)打不開(kāi)時(shí)，此時(shí)閥內(nèi)壓力升高，當(dāng)壓力達(dá)到一定極限程度時(shí)，為了避免損壞壓力機(jī)其他機(jī)械裝置，壓力控制閥還需設(shè)計(jì)保險(xiǎn)裝置，保證在異常狀態(tài)下設(shè)備和操作人員安全。

2、壓力控制閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　如圖1所示，壓力控制閥由閥體、搖臂機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、滑輪機(jī)構(gòu)、鉸鏈機(jī)構(gòu)、行程開(kāi)關(guān)、彈簧機(jī)構(gòu)、閥體等構(gòu)成。搖臂機(jī)構(gòu)利用鉸鏈和導(dǎo)桿，可以改變力的傳動(dòng)方向；彈簧因?yàn)榫哂袕椥�，因而可以達(dá)到控制力的目的；行程開(kāi)關(guān)利用運(yùn)動(dòng)行程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)控制。

1.閥體；2.形腔套筒；3.滑動(dòng)板；4.壓力調(diào)整螺栓；5.安全壓頭；6.安全搖臂連桿；7.壓力調(diào)整彈簧；8.連桿；9.搖臂搖桿；10.搖臂；11.鉸鏈支座；12.搖臂連桿；13.半橢圓形上閥門(mén)；14.半橢圓形下閥門(mén)；15.定滑輪；16.細(xì)繩索；17.連桿；18.搖桿；19.行程開(kāi)關(guān)；20.開(kāi)口銷(xiāo)；21.鉸鏈軸；22.緊定螺栓；23.出口模具套筒；24.機(jī)械式壓力機(jī)擠壓物輸出口

圖1 機(jī)械式常閉壓力控制閥結(jié)構(gòu)圖

3、壓力控制閥工作原理

　　為了保證螺旋式壓力機(jī)的輸出端能控制壓力，設(shè)計(jì)如圖1所示的壓力控制閥。壓力機(jī)工作，螺旋軸旋轉(zhuǎn)，將壓制物推擠到形腔套筒2中，此時(shí)閥門(mén)的上、下半橢圓形閥門(mén)13、14關(guān)閉，密閉形腔套筒內(nèi)工作壓力隨著擠壓物的增多而升高，當(dāng)壓力達(dá)到壓力調(diào)整螺栓4調(diào)定彈簧7的壓力時(shí)，擠壓物推動(dòng)滑動(dòng)板3在閥體1上向左運(yùn)動(dòng)，滑板3與鏈桿8用開(kāi)口銷(xiāo)連接，由于滑板的向左動(dòng)而帶動(dòng)連桿8向左移動(dòng)，連桿8與搖臂10通過(guò)開(kāi)口銷(xiāo)連接，因此搖臂10在連桿8的向左推動(dòng)下，搖臂繞搖臂支座11向下壓搖臂搖桿9(主視圖、左視圖)，搖臂搖桿、連桿17、搖桿18以及閥體組成雙搖桿機(jī)構(gòu)，由于搖桿9的向下推動(dòng)而帶動(dòng)搖桿18推上半橢圓形閥門(mén)13(左視圖)向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)上行程開(kāi)關(guān)19被壓，行程開(kāi)關(guān)中一彈簧由原來(lái)的伸長(zhǎng)狀態(tài)恢復(fù)原形，彈簧縮短而產(chǎn)生拉力，拉(推)桿拉動(dòng)閥門(mén)，將閥門(mén)打開(kāi)。上下閥門(mén)對(duì)稱(chēng)，控制工作原理一樣，兩閥門(mén)同時(shí)被打開(kāi)，此時(shí)閥門(mén)處于工作狀態(tài)，左視圖的虛線部分。

　　若形腔套筒2中被擠壓物質(zhì)較少造成套筒內(nèi)壓力較小，當(dāng)小于壓力調(diào)整螺栓4調(diào)定的彈簧7的壓力時(shí)，壓力調(diào)整彈簧7推動(dòng)滑動(dòng)板3向右運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)板3連桿8是通過(guò)開(kāi)口銷(xiāo)20連接的，因此滑動(dòng)板3帶動(dòng)連桿8向右運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)搖臂10繞鉸鏈支座11上升，搖臂10與搖臂搖桿9通過(guò)開(kāi)口銷(xiāo)連接，因而能帶動(dòng)搖臂搖桿9向上運(yùn)動(dòng)，搖臂搖桿9是和連桿17是鉸接的，而連桿17又和搖桿18鉸接，可以看出，搖桿不再推擠半橢圓形上閥門(mén)13而離開(kāi)閥門(mén)，(左視圖)，因?yàn)閾u臂搖桿9的向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)繞定滑輪的細(xì)繩向上拉，通過(guò)三個(gè)定滑輪變向而拉動(dòng)行程開(kāi)關(guān)19，行程開(kāi)關(guān)中一壓縮的彈簧恢復(fù)原形產(chǎn)生推力，將半橢圓形上閥門(mén)13關(guān)閉(左視圖)。上下閥門(mén)對(duì)稱(chēng)，控制工作原理一樣，兩閥門(mén)同時(shí)被關(guān)閉，此時(shí)閥門(mén)處于非工作狀態(tài)，左視圖的實(shí)線部分。閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)形腔套筒內(nèi)的壓力由上下閥門(mén)傳遞給出口模具套筒23，出口模具套筒與閥體由緊定螺栓22連接，最終閥體的壓力傳給壓力機(jī)械。

　　壓力控制閥處于正常的工作狀態(tài)時(shí)，滑板3上的安全壓頭是不會(huì)接觸安全搖臂連桿，只有當(dāng)閥門(mén)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，正常工作情況下的壓力達(dá)到了壓力控制彈簧調(diào)定的壓力而閥門(mén)又打不開(kāi)時(shí)，此時(shí)形腔套筒內(nèi)隨著擠壓物的增多壓力增大，滑板3向左的移動(dòng)量超過(guò)了正常的移動(dòng)量，安全壓頭5壓著安全搖臂連桿6，通過(guò)搖臂而帶動(dòng)搖臂連桿12向下運(yùn)動(dòng)，搖臂連桿12向下的推力將閥門(mén)推開(kāi)，上下傳動(dòng)原理一樣，下閥門(mén)也被推開(kāi)，擠壓物被排除。此時(shí)閥門(mén)處于安全工作狀態(tài)，避免了因壓力的增大而損壞機(jī)械裝置，起到了安全保護(hù)作用。這種工作狀態(tài)警示操作工要停機(jī)，檢修壓力控制閥。

　　行程開(kāi)關(guān)：是一種利用彈簧彈力控制閥門(mén)開(kāi)、閉的控制開(kāi)關(guān)，主要由A、B兩彈簧控制。當(dāng)A彈簧受到外壓力時(shí)，A彈簧由伸長(zhǎng)狀態(tài)恢復(fù)原形，(此時(shí)杠桿將另一B彈簧壓縮)彈簧產(chǎn)生拉力，拉(推)桿拉動(dòng)閥門(mén)，將閥門(mén)打開(kāi)；當(dāng)B彈簧受到一定的拉力時(shí)，壓縮的B彈簧恢復(fù)原形(此時(shí)杠桿將另一彈簧拉伸)，彈簧產(chǎn)生推力，推(拉)桿推動(dòng)閥門(mén)，將閥門(mén)關(guān)閉。如此往復(fù)循環(huán)，將閥門(mén)打開(kāi)―關(guān)閉、關(guān)閉-打開(kāi)。

　　3.1、壓力控制閥設(shè)計(jì)原理

　　在設(shè)計(jì)機(jī)械式壓力控制閥中，應(yīng)用的都是簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)、搖臂裝置、滑輪裝置以及彈簧等零部件。連桿機(jī)構(gòu)是平面機(jī)構(gòu)，能使搖桿產(chǎn)生一定的擺動(dòng)，由于選用的是雙搖桿機(jī)構(gòu)，主動(dòng)搖桿和從動(dòng)搖桿擺角較小，不可能產(chǎn)生死點(diǎn)位置保證了運(yùn)動(dòng)的可靠性；搖臂裝置實(shí)際上是利用杠桿原理，能改變力的傳動(dòng)方向；滑輪裝置能利用細(xì)繩傳遞或改變力的方向。

　　3.2、計(jì)算與實(shí)驗(yàn)

　　如圖2擠壓機(jī)工作狀態(tài)，動(dòng)力機(jī)通過(guò)V帶傳動(dòng)帶動(dòng)V帶輪旋轉(zhuǎn)，帶輪軸與螺旋軸聯(lián)接，使螺旋軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，物料由料斗4進(jìn)入，在螺旋軸3的推動(dòng)下向前推進(jìn)，送進(jìn)擠壓模5內(nèi)，由于螺旋軸的不斷的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使物料不斷的由螺旋軸向前推進(jìn)，進(jìn)入擠壓模內(nèi)，并與裝在擠壓模內(nèi)的壓力控制閥接觸，壓力控制閥上安裝壓力傳感器，可以讀出擠壓模內(nèi)的壓力。在此工作狀態(tài)下，以魚(yú)肉泥淀粉混合料，做直徑為Φ15mm魚(yú)肉條(火鍋菜或蒸菜)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.V帶輪；2.帶輪軸；3.螺旋軸；4.料斗；5.擠壓模；6.壓力控制閥；7.壓力傳感器

圖2 壓力閥實(shí)驗(yàn)原理圖

　　實(shí)驗(yàn)條件：螺旋壓力機(jī)的螺旋軸為鋸齒螺紋B67×37×10^-7，頭數(shù)為2，電機(jī)額定功率為2.5KW，轉(zhuǎn)速為950轉(zhuǎn)/分，大帶輪與小帶輪的傳動(dòng)比為2.5，與螺旋軸配套的擠壓模直徑為Φ70mm。先計(jì)算在條件下螺旋軸所產(chǎn)生的軸向推力Fx，根據(jù)：

　　式中Mx代表螺旋軸相對(duì)于軸線之轉(zhuǎn)矩，r代表鋸齒螺旋軸的半徑，r=33.5mm，Φ代表摩擦角，α代表螺旋升角。

tanα=h/2πr (2)

　　式中h代表螺距，

　　式中Φ代表摩擦角，fs代表靜摩擦系數(shù)：

　　(4) 由式(1)～式(4)可得：

　　此力是在電機(jī)額定功率、螺旋軸本身結(jié)構(gòu)以及擠壓魚(yú)肉泥淀粉混合料每次情況下所產(chǎn)生的最大推力。

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖2情況，壓力表的讀數(shù)0.46MPa，可以算出平均擠壓力P=(35×10^-3)²×π×0.46×10⁶N/mm²=1.769KN，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　卸下壓力閥，在端口的下端的安裝一個(gè)壓力表，結(jié)果顯示壓力為0.28MP，擠壓品結(jié)構(gòu)呈顯松疏；當(dāng)壓力調(diào)整到大于2.64KN時(shí)，擠壓機(jī)抖動(dòng)，造成擠壓品表面出現(xiàn)一道一道的壓痕，這種工作狀態(tài)是不允許出現(xiàn)的，必須增大電機(jī)功率。螺旋壓力機(jī)的輸出壓力為1.96KN時(shí)，壓力閥打開(kāi)，其原因是彈簧的彈力誤差，通常情況下5%左右誤差屬于正�，F(xiàn)象。

4、結(jié)論

　　由上述可知機(jī)械式常閉壓力控制閥由簡(jiǎn)單的機(jī)械傳動(dòng)組成，制造成本低，工作狀態(tài)可靠，在非工作狀態(tài)下是閥門(mén)是常閉的，只有在擠壓機(jī)出口壓力達(dá)到彈簧調(diào)定的壓力時(shí)才工作，保證了被擠壓物的擠壓密度；當(dāng)壓力閥本身結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常時(shí)閥的安全裝置會(huì)打開(kāi)閥門(mén)，保證了機(jī)械部分不會(huì)損壞；當(dāng)壓力閥彈簧調(diào)定的壓力超過(guò)螺旋軸的推力時(shí)，擠壓機(jī)發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象，這說(shuō)明電機(jī)功率太小，不允許出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明擠壓機(jī)安裝壓力閥后產(chǎn)品質(zhì)量明顯提升，實(shí)用性強(qiáng)，加之壓力閥全部機(jī)械結(jié)構(gòu)，既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)。由于現(xiàn)在市場(chǎng)上的壓力傳感器現(xiàn)在都是壓強(qiáng)單位，在數(shù)值顯方面有待改進(jìn)。